电动汽车废旧电池回收工艺研究

魏锦雯　杜英　谢丽娟　唐会敏　李晨雨　张雷

摘要：本文着重研究废旧锂离子动力电池拆解后回收工艺相关问题。在分析锂离子电池结构与成分的基础上，对其回收步骤：预处理、二次处理、深度处理等进行具体的实验分析，经研究分析总结出污染更小、回收效率更高的废旧锂离子动力电池回收工艺。

关键词：动力电池;预处理;二次处理;深度处理

1  研究背景

目前石油能源日渐减少，这使得世界各大汽车公司都在着力研究新能源汽车，其中电动汽车成为新能源中的主力。现下中国主推锂离子电池动力汽车，这使得电动汽车得到了大力发展，电动汽车成爆发式增长，新的产业蓬勃发展是件好事，但同时也是令人担忧的。电池的报废年限在3到5年，大量废旧电池报废后如果没有得到良好的处理将会对环境带来巨大的危害。为此，我们对废旧锂离子动力电池回收工艺进行深入研究，拟解决电动汽车废旧电池回收问题。

2  电池结构

本项目主要以比亚迪电动汽车废旧三元锂离子电池为例进行实验。三元锂离子电池由电芯、保护电路和外壳组成。电芯主要由正极板、隔膜、负极板、电解液组成;正极板、隔膜、负极板缠绕或层叠，包装，灌注电解液，封装后引出正极耳和负极耳制成电芯。其中正极一般以铝箔作为基底，两侧均匀涂覆正极材料，正极材料包括一定配比的正极活性物质（如钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂和三元材料等）、导电添加剂（如乙炔黑、石墨等）以及粘结剂（聚偏氟乙烯（PVDF）为主）。负极一般以铜箔作为基底，两侧均匀涂覆负极电极材料，负极材料包括一定配比的负极活性物质（石墨、硅碳等）和粘结剂（丁苯橡胶（SBR）、丙烯酸树酯（PAA）、羧甲基纤维素钠（CMC-Na）等）。

3  废旧锂离子电池回收步骤

对文献进行整理并结合大量实验得出废旧电池回收流程大致分为三步：预处理、二次处理、深度处理。在预处理时大多数实验都选择粉碎，之后再将各个元素逐渐分离提纯。我们设想对锂离子电池进行拆解，从而得到整片的铝箔、隔膜、铜片，还有三元锂粉溶液。对此，我们只需对三元锂粉进行化学分离，可以使分离更容易，从而达到纯度更高。

3.1 预处理

锂离子电池预处理需要进行三步操作：拆解、放电、化学处理、负极处理。

①初步处理：用尖锐物划破塑料外层，拆除废旧锂离子动力电池外层的塑料膜，将锂离子电池的金属外壳展露出来。

②深度放电。由于锂离子电池密度大，在电池报废后仍存有一定能量，为此需要对报廢锂离子动力电池进行深度放电处理。经实验对比我们发现直接或快速的短路放电，优点是放电速度快，但缺点也相当明显，短时间内产生大量热量，极易产生爆炸，不可大批量工业作业。为此我们将电池放置在浓度为20%的NaCl溶液中，浸泡24h，相比之下时间长了很多，安全得到了保证，可实现工业化大批量处理。

③除去HF。用老虎钳夹住晾干后的废旧电池，并用角磨机将电池头部切削掉，然后迅速投入pH值为9-10的NaOH溶液中浸泡3分钟。

④将电芯从外壳中取出，将正极与负极两片进行物理分离。处理负极，负极的处理很简单，将负极材料浸泡在纯净水中10分钟后，轻轻抖动即可分离负极集流体铜箔和石墨。

3.2 二次处理

主要是将铝箔与粘结剂分离，正极具有多种有价金属，极具回收价值，两者的分离有一定的难度，为此我们研究出用两步骤，先将铝箔与正极和粘合剂分离，再将粘结剂与正极分离。

首先是将正极材料浸泡在浓度为10%的NaOH溶液中3-5分钟溶解极少部分正极集流体即可得到干净完整的铝箔;

然后用有机溶剂（二甲基亚砜或N-甲基吡咯烷酮）在60摄氏度条件下浸泡90分钟溶解正极粘结剂。利用的是有机溶剂相似相溶原理将金属离子与粘结剂相分离，过滤最终得到三元锂粉溶液。

3.3 深度处理

深度处理分为浸出和分离提纯两部分，对三元锂粉进行进一步分离。

①浸出过程采用酸浸法浸出正极活性物质中的镍、钴、锰、锂等金属，其中葡萄糖酸对三元材料有很好的浸出效果，工业应用前景很好。

我分离提纯是将化学沉淀法与萃取法联合浸出液中的有价金属离子，充分发挥两种方法的优势，可以有效提高有价金属离子的回收率。化学沉淀法是向浸出液中添加特定的沉淀剂将浸出液中的金属离子沉淀出来，得到相应的金属化合物产品。化学沉淀法的核心是控制好溶液的 pH值，在不同的pH值下，沉淀出相应的金属离子，易于实现工业化生产，回收率较高，成本较低。溶剂萃取法是目前常用的回收浸出液中有价金属离子的方法，即利用特定的有机溶剂与溶液中的有价金属离子（Ni2+、Co2+、Mn2+等）形成配合物，从而对金属离子进行分离回收。

电动汽车废旧电池回收工艺流程图如图1所示。

4  回收过程中解决污染的措施

锂离子电池的电解液会与水发生反应，产生有毒的HF，从而对工作人员造成伤害，污染大气。除去HF要用老虎钳夹住晾干后的废旧电池，并用角磨机将电池头部切削掉，然后迅速投入pH值为9-10的NaOH溶液中浸泡5分钟。

负极材料中含有石墨，粉尘遇明火或高温可发生爆炸，经处理的石墨是潮湿的，非干燥的，从而避免危险的发生。

隔膜燃烧会产生CO、醛等物质，本实验中进行直接成片式物理分离，避免了燃烧污染。

5  结论

废旧锂离子电池不仅有极大的污染能力，处理不当还会出现爆炸的可能，废旧锂离子电池会对环境造成污染对人和动物也可能造成直接的危险。其产生的污染物含有大量重金属难以降解，造成的破坏难以恢复，且会产生有毒气体污染大气等破坏性。这足以引起我们对处理废旧锂离子电池的重视。由于锂离子电池的大力发展，其中的金属资源变得紧缺起来，使得钴、镍等金属价格上涨，电池生产成本提高，对电池进行合理的回收再利用将在未来有巨大的商业价值与现实意义。电池中蕴含着大量的紧缺有价金属元素的钴、镍、锰、锂、铜、铝等，处理不良会导致水土重金属污染，紧缺金属资源浪费。对电池的合理回收研究势在必行，不断优化回收方法和工艺、减少对环境的污染、减少金属资源的浪费，方可应对废旧电池带来的危险。

参考文献：

[1]王嫦，欧阳全胜，赵群芳，张淑琼，胡敏艺，蒋光辉.废旧动力锂离子电池回收的研究进展[J].当代化工研究，2018（06）：154-155.

[2]王雪.废旧锂离子电池正极材料的回收再利用[D].贵州师范大学，2018.

[3]侯海，王璐.浅谈纯电动汽车动力电池及其管理系统[J].农家参谋，2018（03）：196.

[4]王九飙，周文斌，刘质斌，石秋成.电动汽车废旧动力蓄电池的回收利用技术及发展[J].环境与发展，2017，29（07）：62-63.

作者简介：魏锦雯（1997-），女，吉林长春人，北华大学学生，学士学位，研究方向为新能源汽车;杜英（通讯作者）（1973-），女，吉林榆树人，讲师，硕士研究生，研究方向为新能源汽车、汽车环境工程;谢丽娟（1998-），女，吉林东丰人，北华大学学生，学士学位，研究方向为新能源汽车;唐会敏（1997-），女，江苏泗阳人，北华大学学生，学士学位，研究方向为新能源汽车;李晨雨（1999-），男，河北井陉人，北华大学学生，学士学位，研究方向新能源汽车;张雷（1997-），男，吉林德惠人，北华大学学生，学士学位，研究方向为新能源汽车。